한국과학기술원(KAIST) 바이오·뇌공학과 장무석 교수 연구팀은 이종층 메타표면 설계 방식을 적용해 고해상도 분광기를 소형화하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

이종층 메타표면은 두 겹의 무질서한 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 크기 인공 구조물을 통해 빛을 산란시켜 파장별로 패턴을 만들어내는 방법으로 빛을 제어할 수 있는 차세대 광학 소자다.

분광기는 빛을 파장별로 분해해 물성을 분석하는 광학 장비로, 재료 분석, 화학 성분 검출, 생명과학 연구 등 다양한 분야에 쓰인다.

기존 고분해능 분광기는 수십 센티미터(㎝) 수준으로 폼팩터(외형)가 크고, 정확도를 높이기 위해 복잡한 교정 과정이 필요하다.

무지개처럼 색을 분리하듯 빛의 파장을 진행 방향으로 분리하기 위해 분산 부품이 쓰이기 때문인데, 이로 인해 실험실이나 산업 제조 현장 등으로 활용성이 제한적이었다.

연구팀은 빛의 색 정보를 빛의 진행 방향으로 일대일 대응시키는 기존 분광 패러다임에서 벗어나, 무질서한 구조를 광학 부품에 도입하는 방법을 고안했다.

수십∼수백 나노미터 크기 이종층 메타표면을 활용해 스페클 패턴(여러 파면의 빛이 간섭해 만들어지는 무작위 패턴)을 생성하고, 카메라가 측정한 스페클 패턴에서 빛의 정밀한 색 정보(파장)를 복원하는 데 성공했다.

메타표면을 적용해 만든 손톱보다 작은 분광기 장치를 스마트폰에 탑재, 카메라가 촬영한 영상에서 1나노미터 수준의 고해상도로 가시광에서 적외선까지(440∼1천300㎚)의 범 대역의 빛을 정확하게 측정해 냈다.

이번 연구의 제1 저자인 이동구 연구원은 "모바일 기기에 내장해 일상에서도 빛의 파장 정보를 손쉽게 취득하고 이용할 수 있다"고 말했다.

장무석 교수는 "R(빨강), G(초록), B(파랑) 3가지 색으로만 구분해 인식되는 기존 RGB 삼색 기반 머신 비전 분야의 한계를 뛰어넘는 기술"이라며 "음식 성분 분석, 농작물 상태 진단, 피부 건강 측정, 환경 오염 감지, 바이오·의료 진단 등에 활용할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스' (Science Advances) 지난달 28일 자 온라인판에 실렸다.